1、I基于单片机的灭火机器人设计摘 要该文设计是一款基于单片机的灭火机器人模型的设计。该设计以 STC89C52 单片机为控制核心的系统，通过自制火焰传感器用于火焰探测，红外光电传感器用于探测障碍物，L298 驱动电机前后转动实现机器人平面运动。 该系统火焰探测采用自制的六路火焰传感器，其中是由五路远红外接收二极管和一路近红外接收二极管构成，它与目前其他火焰探测器相比，具有火焰探测精确度相对高、结构较为简单，性能可靠等优点。避障则用 E18-D50NK 型号的光电传感器，该传感器具有探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便等特点。此设计以数字集成电路技术为基础并以单片机技术为核心，
2、依据传感器的信号传入单片机实现各种指令处理。实验结果表明，该设计具有成本低、可靠性高、灭火速度快、安装调试方便等特征，具有较好的应用前景。关键词： STC89C52 单片机 光敏晶体管 红外光电开关 L298N E18-D50NKIIFire fighting robot hardware design based on single chip microcomputerAbstractIn this paper, the design model for the design of a microcontroller-based fire-fighting robot. System to
3、STC89C52RC microcontroller for control core, innovation homemade flame sensor is used to measure the source of fire, use infrared receiverdiode to detect the roadblock.The system use six innovation homemade flame sensors which consist of five remote Infrared receiverdiodes and one close Infrared rec
4、eiverdiode to measure the source of fire,which compare other measurements with high precision, simple structure, reliable performance characteristics. Obstacle avoidance uses the E18 - D50NK models of photoelectric sensor, the sensor has a long detection distance, small interference by visible light
5、, the price is cheap, easy to assemble and convenient use, etc. This design is based on digital integrated circuit technology and single-chip microcomputer technology as the core, according to the sensor signal to microcontroller processing all kinds of instructions.The experimental results show tha
6、t the design of low cost, high reliability, fire fast, easy installation features, very suitable for large fire risk coefficient, has a good application prospect.Keywords: STC89C52 microcontroller; photosensitive transistor; infrared photoelectric switch; L298N; E18-D50NK 目 录摘 要 .IAbstract.II第一章 引言
7、.11.1 课题的开发背景 .11.2 课题的研究现状 .11.3 课题研究的意义 .21.4 课题任务 .2第二章 系统基本原理与总体方案设计 .32.1 灭火机器人的基本原理 .32.2 灭火机器人的整体设计 .32.3 灭火机器人模型的测量方案 .42.3.1 避障模块 .42.3.2 火焰检测方案 .5第三章 系统硬件电路设计 .83.1 控制电路 .83.1.1 电机控制电路 .83.1.2 灭火驱动电路 .93.2 火焰检测电路 .113.3 避障模块 .133.4 直流电源设计 .153.5 单片机系统 .153.5.1 单片机选型 .153.5.2 单片机晶振电路和复位电路 .
8、18第四章 系统调试 .204.1 硬件调试 .204.2 软件调试 .204.3 避障的实现 .214.4 寻找火源的实现 .214.5 遇到的问题 .224.6 实验现象与结果分析 .224.7 本章小结 .264.8 实物展示 .27参考文献 .30致谢 .31附录 .32南京工业大学本科毕业设计（论文）1第一章 引言1.1 课题的开发背景正如我们所知，火灾在现实生活中是非常普遍的，它被称为三大自然灾害之一。随着经济的快速发展，不可避免的火灾在各种危险场所频繁出现，给社会安全造成了很多隐患。如果发生灾害事故，消防员所面临的环境是高温、黑暗、有毒和浓烟等，若没有相应的设备贸然冲进现场，不仅
9、不会完成任务，可能会徒增人员伤亡，这方面公安消防部队已历经诸多血的教训。尤其是当新消防法出台后，抢险救援已成为公安消防部队的法定任务，面对新时期面临的新情况新任务，也为了更好地解决前述难题，显得日益重要是消防机器人的配备。消防部队将面对的火灾和应急救援的形势相当复杂。尤其是在高温、有毒、易燃易爆等复杂环境中，为切实增强消防部队扑救大火的能力，也为更好地保护广大官兵的生命安全，配备消防机器人已势在必行。1.2 课题的研究现状智能小车方面：智能小车，也称轮式机器人，是一种以汽车电子为背景，涵盖控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多学科的科技创意性设计。智能汽车作为一种智能化的交通工
10、具，体现了车辆工程、人工智能、自动控制、计算机等多个学科领域理论技术的交叉和综合，是未来汽车发展的趋势。机器人技术方面：目前已经开发出了多种类型机器人机构，其结构有串联、并联及垂直关节和平面关节多种。目前研究重点是机器人新的结构、功能及可实现性，其目的是使机器功能更强、柔性更大、满足不同目的的需求。同时机器人机构向着模块化、可重构方向发展。机器人控制技术现已实现了机器人的全数字化控制，基于传感器的控制技术已取得了重大进展。目前重点研究开放式、模块化控制系统，人机界面更加友好，具有良好的语言及图形编辑界面。同时机器人的控制器的标准化和网络化以及基于PC机网络式控制器已成为研究热点。机器人已经实现
11、了全数字交流伺服驱动控制，绝对位置反馈。目前正研究利用计算机技术，探索高效的控制驱动算法，提高系统的响应速度和控制精度；同时利用现场总线技术，实现的分布式控制 1。第一章 引言21.3 课题研究的意义智能避障灭火机器人实现了对安全防护的质的提高，也大大地减低了消防人员的危险。在智能灭火系统中应用单片机来代替人的思考，还可以实现自动化控制，简化了灭火的工作流程，使单片机代替多余的消防人员，节省了国家不必要的支出，降低了危险。自动灭火避障智能小车可以理解为机器人的一种特例，它是一种能够通过编程手段完成特定任务的小型化机器人。与普遍意义上的机器人相比该智能小车制作成本低廉，电路结构简单，程序调试方便
12、，此设计在前人研究的基础上，通过不断地学习相关的知识，力求对消防机器人设计达到更深的了解和研究，促进消防机器人在火灾中的应用并推广在相关领域的研究，使消防研究工作不断向前发展，具有很大的学术价值。1.4 课题任务根据自动控制的基本要求，自动灭火避障智能小车必须在无人干预的情况下依靠处理器自动完成所有的系统设计要求。灭火通过火焰检测传感器找到蜡烛，控制电机引导小车走向蜡烛附近并吹灭蜡烛。自动避障通过红外光电开关感应前方的障碍物，程序判断处理控制小车转弯避开障碍物。系统具体设计要求如下：（1）实现直流减速电机的启、停、正、反控制；（2）利用直流减速电机实现对小车的运动控制；（3）利用稳压芯片为单片
13、机电路系统提供稳定电压；（4）利用红外线光电开关对障碍物的检测；（5）利用光敏晶体管对火源的检测；（6）通过单片机控制小车运动状态实现小车的灭火避障；（7）通过编程检验系统程序的模块化设计。南京工业大学本科毕业设计（论文）3第二章 系统基本原理与总体方案设计2.1 灭火机器人的基本原理灭火机器人灭火原理如图2-1所示。单片机采集火焰检测模块和避障模块的信号，通过控制电机驱动模块使小车避障行驶去找寻火源，在找到火源之后，单片机控制电机停止，开启风扇灭火，从而实现对整个火灾点灭火的过程。图2-1 系统原理图方框图2.2 灭火机器人的整体设计灭火机器人由四部分组成：（1）数据采集模块，主要由火焰采集
14、模块和避障模块构成，实现了灭火机器人的对各类参数的采集，是控制器核心部分；（2）信息处理单元，用单片机作为信息处理单元，实现对数据的采样及数据分析运算，并发出控制指令；（3）人机交互单元，由按键，显示灯组成。按键实现人机交互；可以提供丰富、直观、友好的信息界面；（4）控制模块，控制模块主要由电机驱动电路、灭火模块等组成，实现对驱动电机运转及开启风扇灭火。第二章 系统基本原理与总体方案设计4单片机人机交换单元信息处理单元控制模块数据采集模块图 2-2 灭火机器人系统设计图2-2 中，数据采集模块对障碍物方位、火焰数据进行采集，并将数据送给MCU进行数据处理。MCU根据接收的信息发出控制指令控制电
15、机或风扇工作，按键用于用户启动灭火机器人。2.3 灭火机器人模型的测量方案避障及火焰测量是灭火机器人最重要部分之一，它是实现其他功能的基本条件，这一部分性能好坏将关系到整个系统的性能，所以设计一个成本低、可靠性高、灭火效率高、调试简便的测量方案是该设计的关键。2.3.1 避障模块方案 1：用超声波传感器进行避障。超声波传感器的原理如图3所示：超声波由压电陶瓷超声波传感器发出后，遇到障碍物便反射回来，再被超声波传感器接收。然后将这信号放大后送入单片机。超声波传感器在避障的设计中被广泛应用 2。但是超声波传感器需要40KHz的方波信号来工作，因为超声波传感器对工作频率要求较高，偏差在1内，所以用模
16、拟电路来做方波发生器比较 难以实现。而用单片机来作方波发生器未免有些浪费资源。因此我们考虑其他的方案，如图2-3所示。南京工业大学本科毕业设计（论文）5图 2-3 超声波传感器原理图方案 2：用红外光电开关进行避障。光电开关的工作原理如图 4 所示：根据投光器发出的光束，被物体阻断或部分反射，受光器最终据此作出判断反应，是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，由同步回路选通而检测物体的有无，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均能检测。红外光电开关操作简单，使用方便。当有光线反射回来时，输出低电平。当没有光线反射回来时，输出高电平 47。考虑到本系统只需要检测简单障碍物，没有十分复杂的环境
17、。为了使用方便，便于操作和调试，我们最终选择了方案 2。图2- 4 红外光电开关测量原理图2.3.2 火焰检测方案火焰检测有温度传感器、烟雾传感器、红外传感器、紫外传感器以及 CCD 传感器。综合论证这几种传感器，因本设计使用蜡烛模拟火源，对环境温度影响小，烟雾少，排除了烟雾传感器。考虑到易用性，排除了 CCD 传感器，从而主要考虑以下三种方案。 NTC 热敏电阻和光敏晶体管测量方案超 声波 传感 器障 碍物 发 射 波回 波 单 片机第二章 系统基本原理与总体方案设计6热敏电阻电路光敏电阻电路A / D转换器单片机图 2-5 NTC热敏电阻和光敏电阻测量系统图 如图2-5 所示，利用热敏或光
18、敏电阻的阻值随温度光亮变化的特性，将热敏或光敏电阻与线性电阻构成分压电路，当温度光亮变化时其阻值变化，进而分压变化，然后将这电压信号经过运放放大调理成05V的电压信号，经 A/D转换变成数字信号送给单片机。实验中发现在一定距离范围内，空气温度变化非常小，热敏电阻几乎不发生任何变化。光敏电阻在灯光下，易受干扰在一定范围内空气温度变化非常小，热敏电阻几乎不发生变化，光敏电阻受外界干扰比较大，抗干扰能力极差，误差偏大，不能准确测定火源位置 56。 使用紫外线传感器识别火焰方案1 u F1 M U VA / D转换器显示图 2-6 紫外线传感器识别方案紫外线传感器只对185260nm狭窄范围内的紫外线进行响应，而对其它频谱范围的光线不敏感，利用它可以对火焰中的紫外线进行检测。具有灵敏度高，检测及时准确、抗干扰性强的特点。主要缺点是价格是红外传感器的8-10倍。 红外接收二极管识别火焰方案
